DE3345442C2

DE3345442C2 - Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens

Info

Publication number: DE3345442C2
Application number: DE3345442A
Authority: DE
Inventors: Anthony R. T. St. Paul Minn. Lefkow
Original assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Current assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Priority date: 1983-12-07
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1986-01-02
Also published as: FR2556373B1; DE3345442A1; GB8332649D0; FR2556373A1; GB2150947A

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens beschrieben. Es ist ein Target vorgesehen, das eine Oberfläche aus einem zu verdampfenden, nicht permeablen Material aufweist. Mittels einer Schaltungsanordnung wird auf der Targetoberfläche ein Lichtbogen erzeugt, der das Targetmaterial verdampft. Der Lichtbogen enthält geladene Teilchen, und er bildet einen Kathodenfleck, der in zufälliger Weise über die Targetoberfläche wandert. Ein Begrenzungsring umgibt die Targetoberfläche. Der Ring ist aus einem magnetisch permeablen Material gebildet, damit der Kathodenfleck bei seiner Wanderbewegung auf die Targetoberfläche begrenzt wird.

Description

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|f| Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Theorie der Wirkungsweise nicht beabsichtigt ist, sind

ψ; den Unteransprüchen gekennzeichnet die folgenden Überlegungen offensichtlich auf die Ringe

Ig Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung bei- aus magnetisch permeablem Material anwendbar. Es ist

Jt spielshalber erläutert. Es zeigt beobachtet worden, daß ein im Vakuum erzeugter

■W F i g. 1 einen schematischen Schnitt eines Ausfüh- 5 Lichtbogen, der auf ein unmagneüsches Target trifft, in

i| rungsbeispiels einer Vorrichtung zur Lichtbogenstabili- zufälliger Weise henimwandert und in etwa einer Se-

% sierung nach der Erfindung, in der ein unmagnetisches künde das Target oft verläßt und auf andere Bereiche

";i Target von einem magnetisch permeablen Begren- der Kathode wandert Bei einem magnetisch permea-

zungsring umgeben ist blen Target springt der Lichtbogen innerhalb von Milli-

F ig. 2a einen Schnitt zur Veranschaulichung des Ero- io Sekunden auf andere Kathodenbereiche über. Zur Er-

' sionsmusters, das sich ergibt wenn ein magnetisch per- zielung nicht verunreinigter Beschichtungen muß der

f meables Target von einem Begrenzungsring umgeben Lichtbogen jedoch auf dem Target bleiben.

ist- Wegen der schnellen Abwanderung des Lichtbogens F i g. 2b einen schematischen Schnitt der das gleich- von ungeschützten magnetisch permeablen Targets • mäßige Erosionsmuster veranschaulicht das sich ergibt 15 wurde der Versuch gemacht ein kreisförmiges Target wenn ein unmagnetisches Target durch einen Ring ge- aus Permalloy, das mit einem Begrenzungsring aus Nimäß der DE-OS 33 45 493 begrenzt wird, tridmaterial verbunden ist mittels eines Lichtbogens zu F i g. 3t, 3b, 4a und 4b unter Verwendung von Eisen- verdampfen. Dies ergab eine Erosion nur nahe bei diefeilspänen aufgenommene Diagramme im Schnitt die sem Begrenzungsring, wie aus F i g. 2a zu erkennen ist, verschiedene Bedingungen bei magnetisch permeablen 20 in der das Yarget 10, der Begrenzunpsring 18, der Ka- und unraagnetischen Targets erkenneiv lassen. thodenkörper 12 und das Erosionsmu^ter 20 erkennba r In F i g. 1 ist ein unmagnetisches Target 10 dargestellt sind. F i g. 2b zeigt das normale Erosiorc>muster 20 für das mittels eines Begrenzungsrings 14 an einem wasser- unmagnetische Targets, die mit einem Begrenzungsring gekühlten Kathodenkörper 12 festgehalten ist Der Be- gemäß der erwähnten DE-OS 33 45 493 erhalten wird, grenzungsring 14 besteht aus magnetisch permeablem 25 Eine Untersuchung des Targets von F i g. 2a ergibt daß Material wie Weicheisen oder Permalloy. Tatsächlich der Lid.ibogen zur Bewegung gegen den Rand des makann jedes als magnetisch permeabel betrachtete Mate- gnetisch permeablen Targets beeinflußt wird, da kein rial verwendet werden, also beispielsweise Eisen, Nik- anderer Grund für die Annahme vorhanden ist, daß er kel, Kobalt oder Legierungen dieser Materialien mit sich ausgerechnet gegen den Begrenzungsring aus Nikieinen Anteilen wahlweise hinzugefügter Zusätze, Fer- 30 tridmaterial bewegt Die frühe Literatur über Magnetrite, Stahl u. dgl. Wie unten noch genau erläutert wird, felder, die auf einen im Vakuum gezündeten Lichtbogen hält der Begrenzungsring 14 aufgrund seiner magne- angewendet werden, gibt an, daß sich der Lichtbogen tisch permeablen Eigenschaften den Lichtbogen auf sehr schnell in Richtung der größten Magnetfelddichte dem unmagnetischen Target fest so daß die gewünschte bewegt Unter der Annahme, daß dies auch der Mecha-Lichtbogenstabilisierung in einer robusten und trotz- 35 nismus ist, der den Lichtbogen zum Rand des Targets in dem kostengünstigen Weise erreicht wird. Außerdem F i g. 2a drängt, scheint es, daß sich der Lichtbogen von kann der Begrenzungsring 14 das Target 10 bezüglich dem magnetisch permeablen Material wegbewegt, das des Kathodenkörpers 12 gemäß der Darstellung mit die Felddichte herabsetzt

Hilfe von Bolzen 16 festhalten. Ein weiterer Einblick mit Bezugnahme auf den Ein-Die in F^; g. 1 ebenfalls schematisch dargestellten 40 grenzungsmechanismus ergibt sich aus dem Aufsatz von Bauteile, die bei der Lichtbogenbedampfung angewen- Naoe und Yamanaka »Vacuum-Arc Evaporations of det werden, enthalten eine Anode 22, eine Energiequelle Ferrits and Compositions of their Deposits«, Japanese 24 und ein Substrat 26. Es werden typischerweise (nicht journal of Applied Physics, Band 10, Nr. 6, Juni 1971, wo dargestellte) Mittel benutzt um einen Lichtbogen zwi- die Lichtbogenverdampfung von Ferritzusammensetschen der Anode und dem Target zu erzeugen, das typi- 45 zungen aus einem schaienförmigen Forrittargst bescherweise auf dem Kathodenpotentyil liegt Der Licht- schrieben ist. Dabei wurde ein geschmolzener Anteil des bogen ist durch die Anwesenheit geladener Teilchen Targets erhalten, und die Oxidmaterialien verhielten und durch einen Kathodenfleck gekennzeichnet, der in sich sehr unterschiedlich zu den Metallen. Es wird von zufälliger Weise über die Targetoberfläche wandert So- einem sehr stabilen Lich»L.ogen berichtet, der sich in bald der Lichtbogen erzeugt ist, wird das Targetmateri- 50 einer sehr langsamen Kreisbewegung etwa in der Mitte al wegen der hohen Energie des Lichtbogens verdampft, der Schale bewegte. Es erfolgte keine Bezugnahme darwobei die mittleren Energiewerte geladener Teilchen auf als ungewöhnliches Verhalten, jedoch wurden ein des Lichtbogens von 20 bis 100 eV und typischerweise gehende Einzelheiten eier visuell beobachteten Lichtbovon 40 bis 60 eV reichen. Das verdampfte Material wird gtnbewegung angegeben. Schlußfolgerungen in bezug auf dem Substrat abgeschieden, das in gewissen Fällen 55 auf das allgemeine Einschränken des Lichtbogens fchlauch als Anode wirken kann. Das unmagnetische Target ten.

kann aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall Zum besseren Verständnis dieser Erscheinung wurde

oder einem elektrisch isolierendem Material bestehen. in einem Experiment ein Gleichstrom durch einen Draht

Die Energiequelle 26 ist typischerweise für elektrisch geschickt, damit ei" zylindrisches Magnetfeld des Typs

leitende Targets eine Gleichstromquelle und für elek- 60 erzeugt wurde, das auch der Lichtbogen nahe beim Tar-

trisch isolierende Targets eine Hochfrequenzquelle. Das get zu erzeugen seheint. Dieser Draht wurde in der

Target und die Kathode können in einigen Fällen das Nähe verschiedener geometrischer Formen magnetisch

gleiche Teil sein. permeabler Targets gebracht, und es wurden Diagram-

Die Lichtbogenstabilisierung wird in der oben er- me unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugt da-

wähnten DE-OS 33 45 493 dadurch erzielt, daß das Tar- 65 mit ein Einbück in d« .i magnetischen Einfluß dieser ma-

get von einem Begrei.zungsring aus einem Material wie gnetisch permeablen Materialien auf das Magnetfeld

Bornitrid oder Titannitrid umgeben wird. erhalten wurde.

Obwohl eine Einschränkung auf eine bestimmte Wenn Strom durch den Draht geleitet wird, wird der

Magnetfluß symmetrisch um den Draht erzeugt Wenn zwei parallel zueinander angeordnete Drähte in der gleichen Richtung von Strom durchflossen werden, ziehen sich die Drähte gegenseitig an. Das zwischen den Drähten erzeugte Feld wird aufgehoben, da die RuB-richtung auf der rechten Seite des Drahtes von der FIuO-richtung auf der linken Seite des Drahtes verschieden ist

Tatsächlich ist jedoch ein Lichtbogen etwas ganz Besonderes, und die modellhafte Darstellung als strom- durchflossener Draht ist kein wahrer Anzeiger dafür, was ein Lichtbogen tun wird. Wenn im Lichtbogen ein ausreichend großer Strom fließen kann, teilt er sich in zwei simultane Lichtbogenflecke auf. die sich unabhängig voneinander auf der Kathodenoberfläche herumbe- wegen. Dies ist geradezu das Gegenteil von Drähten, die sich beim Schließen des Stroms zueinander bewegen. Ein einfache Erklärung dieses Unterschiedes zwischen den? Lichtbogen und den? Draht wird manchmal unter Bezugnahme darauf gegeben, daß sich Elektronen in dem Lichtbogen auch in seitlicher Richtung frei im Raum bewegen können, während sie im Draht eingeschlossen sind. Sie versuchen zwar, sich im Draht seitlich zu bewegen und erzeugen dabei gleiche und entgegengesetzte, auf die Drähte einwirkende Kräfte. Dadurch bewegt sich der Draht entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Lichtbogens, wo die Größe der einen Lichtbogen gegen den Rand eines permeablen Targets bewegenden Kraft beträchtlich gegenüber den zufälligen Bewegungskräf'.en ist, die den Lichtbogen typi- scherweise über ein unmagnetisches Target bewegen.

In den F i g. 3a, 3b, 4a und 4b sind unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommene Diagramme dargestellt, die sich bei verschiedenen Bedingungen mit magnetisch permeablen und unmagnetischen Targets ergc- ben. In Fig.3a ist eine abnehmende Flußdichte 23 bei Annäherung an ein Eisentarget 32 erkennbar, da die Flußlinien (von denen nur der Querschnitt zu erkennen ist) in das Eisen gezogen werden, da sie in diesem bevorzugt verlaufen. Bei Verwendung eines plattenförmigen Aluminiumtargets 34 bleibt der Fluß bei Annäherung an die Platte sehr konstant, wie aus F i g. 3b zu erkennen ist. Bei einer Bewegung gegen den Rand des Targets nach F i g. 4b ergibt sich für den Fall des Aluminiumtargets keine Änderung. Die Bewegung zum Rand des Eisentargets erzeugt jedcch nach F i g. 4a einen relativ starken Fluß außerhalb des Targets, während im Innenbereich praktisch kein Fluß vorhanden ist Mit der auf den Lichtbogen ausgeübten, nach auswärts gerichteten Kraft läßt sich ohne weiteres verstehen, daß der Lichtbogen zum Außenrand wandert Wenn sich der Lichtbogen exakt in der Targetmitte befindet treten keine Kräfte auf, jedoch führt die normale Zufallsbewegung des Lichtbogens schnell dazu, daß er aus der Mitte gestoßen wird Wenn er sich dem Rand nähert wird die auf den Rand gerichtete Kraft immer größer. Es ist daher gut verständlich, daß die Erosion in der in F i g. 2a dargestellten Weise erfolgt, da der Lichtbogen zwischen der induzierten, nach außen gerichteten elektromagnetischen Kraft und dem Begrenzungsring aus Nitridmetall eingefangen eo wird, der ihn daran hindert, sich weiter nach außen zu bewegen. Lediglich in die Ebene von Fig.2a besteht eine relative Bewegungsfreiheit Der Lichtbogen bewegt sich daher senkrecht zu der gebildeten Falle um das Target Die Lichtbogenbewegung soll hier nicht vollständig definiert werden, es soll lediglich gezeigt werden, daß gewisse Aspekte zum Zwecke der Kontrolle merklich beeinflußt werden können.

Bei der Ausführung von F i g. I liegt somit eine geringere Flußdichte vor. wenn sich der Lichtbogen an den magnetisch permeablen Begrenzungsring annähen, weil die Kraftlinien leichter durch den Ring verlaufen. Das von dem Strom des Lichtbogens im Vakuum erzeugte Magnetfeld tritt mit dem magnetisch permeablen Begrenzungsring in Wechselwirkung, so daß sich ein vollständiges Einschließen des Lichtbogens aus dem Target ergibt. Die auf den Lichtbogen einwirkende Kraft ist daher stets vom Ring gegen die Fläche der größeren Flußdichte des Targets gerichtet.

Es sei bemerkt, daß das magnetisch permeable Material des Begrenzungsrings eine höhere Lichtbogenspannung als das Targetmaterial hat. In der Literatur wird berichtet, daß ein Lichtbogen, der von einem Material mit höherer Lichtbogenspannung zu einem Material mit niedrigerer Lichtbogenspannung gewandert ist. nicht mehr zurückkehrt Dies ist nur in einem beiläufigen Kommentar angegeben, jedoch ist es ein zusätzlicher möglicher Weg zur Erzielung der Lichtbogeneingrenzung. Außerdem stellt sich die Frage, was geschieht, wenn eine ausreichende Schicht eines Targetmaterials mit niedrigerer Spannung das andere Material überzieht Eisen ist als das Metall mit der höchsten Lichtbogenspannung angegeben, so daß das Lichtbogenbegrenzungsmaterial in zwei Hinsichten vorteimaft ist, d. h. hinsichtlich der hohen Lichtbogenspannung und hinsichtlich -'!»r Permeabilität. Die Permeabilität wird jedoch als der Hauptfaktor angesehen, da der Lichtbogen geneigt ist, stets von dem Begrenzungsring unter Modifizierung des Erosionsmusters entfernt zu bleiben. Dies ist völlig verschieden von einem Target, das von einem Begrenzungsring aus Nitridmaterial festgehalten wird und das nahe bei dem Ring sehr gleichmäßig erodiert wird.

Der beschriebene Begrenzungsring aus magnetisch permeablem Material ergibt eine sehr gleichmäßige Erosion, und er ist wegen seiner robusten und doch kostengünstigen Konstruktion sehr vorteilhaft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

. . befindet Bei dieser Anordnung besteht die Gefahr, daß Patentansprüche: sich von der Kathode abgedampftes Material auf der Anode niederschlägt und umgekehrt da sich diese bei-

1. Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdamp- den Teile unmittelbar gegenüberliegen, fimgsfichtbogens mit einem Target mit einer zu ver- 5 Aus der US-PS 38 36451 ist eine Vorrichtung bedampf enden Oberfläche aus unmagnetischem Mate- kannt mit deren Hilfe Substrate mit hoher Beschichrial und Mitteln zum Erzeugen eines Verdampfungs- tungstate mit Überzügen versehen werden können, üditbogens auf der Targetoberfläche zum Verdamp- doch kann diese vorteilhafte hohe Beschichtungsrate fen von Targetmaterial, wobei der Verdampfungs- wegen einer Instabilität des Lichtbogens nicht voll zur lichtbogen geladene Teilchen enthält und einen Ka- 10 Geltung kommen. In dem erzeugten Lichtbogen fließen thodenfteck erzeugt, der in zufälliger Weise über die Ströme von etwa 60 A oder mehr, die in. einem Katho-Targetoberfläche wandert dadurch gekenn- denfleck konzentriert sind, der so klein ist daß sich zeichnet, daß die Targetoberfläche zur Begren- Stromdichten von 1,5 - 10² bis 1,5 - 10⁵ A/cm² ergeben. zung des Kathodenflecks auf die Targetoberfläche Die Spannungen liegen zwischen 15 und 45 V. Die Leivon einem Begrenzungsring (14) aus magnetisch 15 siungsdichten an dem winzigen Kathodenfleck liegen in permeablem Material umgeben ist der Größenordnung von Megawatt pro Quadratzenti-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- meter. Hier nur von heftigen Erscheinungen zu sprezekhnet daß die mittlere Energie der geladenen chen, wäre eine Untertreibung. Die Targetoberfläche Teilchen des Lichtbogens 20 bis 100 eV beträgt unter dem Kathodenfleck verdampft aufgrund der in-

3. Vorrichtang nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 20 tensiven Hitze blitzartig. Das verdampfte Targetmaterizeichnet daß die mittlere Energie der geladenen al schlägt sich als Beschichtung auf einem Substrat nie-Teilchen des Lichtbogens 40 bis 60 eV beträgt der. Der Kathodenfleck wandert auf der Targetfläche in

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, einer zufälligen, ruckartigen Bewegung umher, wobei dadurch gekennzeichnet daß das magnetisch per- von Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Semeable Material Weicheisen oder Permalloy ist 25 künde berichtet worden ist Wegen dieser zufälligen Be-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- wegung kann es zu einer Beschädigung dzr Vorrichtung zeichnet daß der Begrenzungsring mit dem Target und zu einer Verunreinigung der Beschichtung komin Kontakt steht men, wenn der Kathodenfleck von der Targetoberfläche

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- wegwandert

zeichnet daß die Anode und das Substrat das gleiche 30 Für dieses Instabiütätsproblem des Lichtbogens sind

Teil sind. verschiedene Lösungen angegeben worden. In der US-

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- PS 37 93 179 wird nahe der Kante des Targets eine Abzeichnet daß das Target aus einem elektrisch leiten- schirmung angeordnet Insbesondere wird diese Abden Material besteht schirmung in einem Abstand von dem Target ange-

8. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekenn- 35 bracht der kleiner als die mittlere freie Weglänge des zeichnet, daß das Target aus einem elektrisch nicht- vorhandenen Gases ist Sei einer Lichtbogenentladung leitenden Material besteht werden am Kathodenfleck Gas und Plasma mit ausrei-

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, chender Heftigkeit erzeugt so daß die örtlichen mittledadurch gekennzeichnet daß das Target auf der Ka- ren freien Weglängen gelegentlich auf einige Tausendthode befestigt ist 40 stel Zentimeter reduziert werden können. Wenn ein sol-

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, eher Verdampfungsstoß mit hohem örtlichem Druck dadurch gekennzeichnet daß das Target und die Ka- unter die Abschirmung geblasen wird, die sich in einem thode das gleiche Teil sind. Abstand von mehreren Millimetern befindet besteht die

Möglichkeit daß der Lichtbogen unter der Abschir-

45 muiig hindurchwandert Wenn dies geschieht ergibt

sich eine Lichtbogenzerstörung der Kathode, das verdampfte Material wird verunreinigt oder der IJchtbo-Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gen erlischt

Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens gemäß In der US-PS 37 83 231 wird das oben geschilderte

dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 50 Problem dadurch berücksichtigt daß ein komplizierter

Aus der US-PS 29 72 695 ist eine Vorrichtung be- Rückkopplungsmechanismus vorgesehen wird. Dieser kannt, bei der zum Stabilisieren eines Verdampfungs- Rückkopplungsmechanismus umfaßt die Anwendung lichtbogcns ein Magnetfeld verwendet wird. Dieses Ma- eines Magnetfeldes zum Zurückhalten des Kathodengnetfeld bewirkt ein Zurückhalten des Kathodenflecks flecks auf der Targetoberfläche. Auch in der US-PS auf der Targetoberfläche. Der Magnet weist dabei eine 55 29 72 695 wird die Verwendung eines Magnetfeldes zum konische Stirnfläche auf, damit er schräg verlaufende, Zurückhalten des Kathodenflecks angegeben, symmetrische Kraftlinien auf der Targetoberfläche er- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorzeugt Die Stirnfläche des vom Magneten gebildeten richtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei zylindrischen Bauteils ist der Targetoberfläche gegen- der mit einfachen Mitteln und in zuverlässiger Weise über angeordnet, was zur Folge hat, daß ein von der 60 verhindert wird, daß der Lichtbogen während des Be-Targetoberfläche abgedampftes Material die Neigung Schichtungsvorgangs die Targetoberfläche verläßt zeigt sich direkt auf dem Magneten abzulagern. In einer Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im

Ausführungsform der bekannten Vorrichtung ist an ge- Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen genüberliegenden Seiten der Kathode und der Anode Merkmalen gelöst. Der bei der erfindungsgemäßen ein Magnet angebracht und von der Kathdde abge- 65 Vorrichtung verwendete Begrenzungsring bewirkt daß dampftes Material muß durch in seitlicher Richtung der Lichtbogen immer wieder auf die Targetoberfläche wegführendes Rohr in eine Abscheidungskammer über- zurückgelenkt wird, wenn er sich dem Begrenzungsring führt werden, in der sich das zu beschichtende Substrat nähert.